Les lasers à fibre optique utilisant une architecture MOPA offrent des atouts importants, tels qu'une qualité de faisceau élevée, une fréquence de répétition élevée et une durée d'impulsion courte, pour le développement de procédés laser à haut débit. La découpe de verres renforcés, entre autres matériaux, en fait partie. De plus, l'efficacité des sources laser picosecondes peut être améliorée en regroupant les impulsions picosecondes en salves. Dans cet article, nous démontrons que des salves rapides d'impulsions picosecondes produites avec un laser à fibre MOPA d'INO peuvent être prometteuses pour créer des défauts de taille appropriée dans les matériaux transparents. Associé à une méthode de clivage appropriée, l'ensemble du procédé permettra de découper du verre renforcé avec des bords présentant un bel aspect visuel. La qualité des bords est contrôlée par la quantité d'énergie dans la salve d'impulsions pour chaque profondeur ciblée et par le nombre de lignes où les défauts sont créés.
Mots-clés : verre renforcé, découpe laser, mise en forme d'impulsions, laser à fibre, picoseconde, burst
1. Introduction
Le verre renforcé est devenu très populaire dans la fabrication de fenêtres de protection pour appareils électroniques mobiles grâce à sa grande résistance aux dommages et à sa flexibilité. Cependant, sa résistance accrue rend sa découpe difficile en raison des contraintes structurelles internes au matériau résultant du traitement chimique des surfaces après production. La technique de découpe furtive, initialement développée pour découper les plaquettes de semi-conducteurs, est largement explorée pour la découpe de feuilles de verre en raison de son fort potentiel en termes de rendement élevé et de qualité des bords.
Dans notre configuration, des lasers à impulsions ultracourtes sont utilisés pour modifier la structure du matériau transparent grâce à une absorption non linéaire obtenue par une focalisation précise du faisceau laser à haute puissance crête. De petits défauts internes peuvent alors être générés pour fragiliser le matériau à séparer le long d'une ligne. Les parties délimitées sont ensuite séparées par application d'une force mécanique ou d'une contrainte thermique le long de la ligne de défauts. Cette technique n'éjecte pas de matière hors de l'échantillon, ce qui permet de développer un procédé laser exempt de débris et sans saignée. De plus, seule une partie de l'énergie totale nécessaire à la rupture des liaisons chimiques sur toute l'épaisseur du matériau provient du faisceau laser optique, ce qui permet des procédés à haut débit avec des lasers de faible puissance. Les procédés laser nécessitant des énergies d'impulsion juste supérieures au seuil d'endommagement entraînent la création de défauts micrométriques permettant l'obtention de bords bien définis.
Pour des procédés laser tels que le découpage furtif, le rendement dépend principalement du taux de répétition. Les lasers à fibre sont conçus pour émettre à des taux de répétition élevés et sont capables de produire des impulsions très courtes avec une énergie appréciable ; ils constituent donc des sources laser idéales pour répondre aux exigences de ces procédés.
Les lasers à fibre développés à l'INO présentent une qualité de faisceau élevée, une sortie polarisée, une mise en forme d'impulsions en nanosecondes, un taux de répétition réglable (d'un coup à 500 kHz) avec pompage asservi pour maintenir l'énergie de l'impulsion de sortie constante lorsque le taux de répétition du laser varie.
Ils présentent également un régime d'impulsions unique appelé mode picoseconde-burst, composé d'impulsions courtes et rapprochées (séparées de 625 ps) d'une durée de quelques dizaines de picosecondes, émises sous une enveloppe programmable de forme arbitraire, d'une durée de l'ordre de la nanoseconde. Pour le traitement des matériaux transparents, le mode ps-burst présente l'avantage de produire des pics d'intensité élevés au sein d'impulsions courtes, qui altèrent le matériau par absorption non linéaire, tout en donnant accès à des quantités d'énergie substantielles en cumulant les tirs laser dans la même zone ciblée pendant la courte durée du burst.
Le laser MOPAW (Master Oscillator Programmable Arbitrary Waveform) de l'INO présente un fort potentiel pour l'exploration des interactions laser-matière et le développement de procédés laser à fine échelle [1]. La combinaison d'amplificateurs à fibre et d'une électronique numérique avancée permet la mise en forme temporelle et en amplitude d'impulsions nanosecondes, de salves d'impulsions picosecondes, ainsi que la production d'impulsions picosecondes uniques. La figure 1 présente quelques exemples des nombreuses formes pouvant être générées par programmation directe du laser MOPAW de l'INO. Quel que soit le régime d'impulsions sélectionné, le laser MOPAW peut être déclenché pour émettre des impulsions à la demande, ce qui est essentiel pour les applications impliquant des procédés laser à impulsion unique où la synchronisation entre la source laser et la position de l'échantillon sous le faisceau laser à un instant donné est requise. De plus, la durée des impulsions nanosecondes ou des salves picosecondes peut être programmée de 1,25 ns à 500 ns, offrant ainsi la possibilité d'affiner le procédé laser en fonction du matériau cible [2, 3].
Fig.1 Exemples de formes d’impulsions et de régimes d’impulsions du laser MOPAW de l’INO (a) une salve de 100 ns composée d’impulsions de 30 ps à 1,6 GHz (b) un motif en dents de scie de 500 ns composé de quinze impulsions de 10 ns (c) une seule impulsion de 30 ps (d) une seule impulsion de 10 ns.
La plateforme laser de l'INO adopte une configuration MOPA (oscillateur maître – amplificateur de puissance) [4], illustrée à la figure 2, qui exploite efficacement la polyvalence offerte par un générateur d'impulsions optiques picosecondes à fibre optique, piloté électroniquement et de pointe. L'oscillateur maître est constitué d'un module de génération d'impulsions courtes basé sur le filtrage spectral d'une diode laser pulsée à modulation de phase. Le module amplificateur de puissance est composé de deux amplificateurs à fibre en cascade utilisant des fibres à gaine déprimée et à grande surface de mode (LMA) [5]. Les amplificateurs à fibre dopée à l'ytterbium offrent les avantages d'une efficacité optique, d'une puissance moyenne élevée et d'une qualité de faisceau élevée, quelles que soient les conditions de fonctionnement. Les fibres à maintien de polarisation (PM) tout au long de la chaîne laser produisent un faisceau laser à polarisation linéaire stable avec un taux d'extinction supérieur à 20 dB, ce qui rend le laser MOPAW compatible avec la génération d'harmoniques pour le traitement des matériaux à des longueurs d'onde plus courtes.
Fig.2 Vue schématique de la plateforme MOPAW programmable d’INO.
L'objectif de cette étude était d'évaluer les performances du régime ps-burst pour la découpe de feuilles de verre renforcé, comme le verre Corning Gorilla®. Une série d'essais a été réalisée afin de déterminer les conditions opératoires (vitesse de découpe, profondeur des défauts, méthode de clivage) en tenant compte des caractéristiques du régime d'impulsions (puissance laser, durée d'impulsion) qui influencent la qualité des découpes. Un prototype de laser MOPAW proposant le régime ps-burst a été utilisé pour réaliser l'évaluation.
2. Dispositif expérimental
Le système de mouvement dédié, compatible avec les caractéristiques du prototype laser, est illustré à la figure 3. Il se compose d'une platine de translation motorisée rapide (jusqu'à 500 mm/s) surmontée de platines manuelles pour un réglage précis dans toutes les directions angulaires. Un système de mouvement précis sur l'axe Z permet de positionner le point focal du faisceau dans le matériau avec une précision de ± 1 µm. Cette opération est réalisée à l'aide d'une caméra en ligne située derrière un miroir dichroïque. La taille du faisceau incident et la distance focale de la lentille sont choisies pour maximiser l'intensité maximale de l'impulsion afin d'obtenir une absorption multiphotonique efficace. La distance focale doit être très courte, mais elle est limitée par la distance de travail restante et par des considérations pratiques liées aux procédés laser industriels. Une lentille asphérique de 8 mm de distance focale, associée à un expanseur de faisceau et à un faisceau laser quasi-gaussien (M² < 1,3), est utilisée pour créer un point focal d'environ 3,5 µm dans le matériau. L'échantillon est placé sur un support à haute planéité pour garantir que la profondeur du point focal à l'intérieur du matériau reste presque constante pendant le mouvement de l'échantillon.
Fig.3 Dispositif expérimental pour le marquage du verre renforcé dans un processus de découpage furtif. VA : atténuateur variable, /n : n=2 pour la lame demi-onde et n=4 pour la lame quart d'onde.
Notre prototype laser produit des salves d'une durée de 5 ns à 80 ns avec une fréquence de répétition de 100 kHz. Chaque impulsion, au sein de la salves, dure 60 ps et est espacée de 555 ps. Le faisceau de sortie est polarisé linéairement. Dans ces conditions, l'échantillon, se déplaçant à vitesse maximale, sera parcouru par une salve d'impulsions courtes tous les 5 µm, le long d'une ligne droite.
3. Résultats
Les essais ont été réalisés sur des échantillons de verre Gorilla® de 560 µm d'épaisseur. L'influence de différents paramètres sur la formation des défauts dans le matériau ainsi que sur la qualité des bords clivés a été étudiée. L'état de polarisation, le nombre de lignes de défauts (ou nombre de passes), l'énergie de l'impulsion laser à chaque passe et la profondeur des défauts créés dans le matériau ont été étudiés.
Dans un premier temps, nous avons estimé le seuil d'endommagement du verre Gorilla® en fonction de la profondeur des défauts. Avec une fréquence de répétition de 100 kHz et des impulsions ps-burst de 5 ns, le seuil d'endommagement est d'environ 1 W près de la seconde face de la feuille de verre et d'environ 0,5 W près de la première face. Comme prévu, le seuil augmente avec la profondeur en raison des aberrations sphériques qui répartissent l'énergie le long de l'axe de propagation à mesure que le point focal s'éloigne de la première face du verre. Avec des puissances incidentes légèrement supérieures au seuil, seules des lignes brisées de petits défauts sont créées. Les irrégularités dans l'apparition des défauts seraient principalement dues aux inhomogénéités présentes à l'intérieur et à la surface du matériau. En frappant le matériau avec des énergies suffisamment supérieures au seuil (d'environ 60 %), non seulement une ligne continue de défauts est créée, mais ces défauts sont également reliés par des microfissures, comme illustré à la figure 4.
Fig.4 Microfissures créées par un faisceau laser focalisé à 400 µm de profondeur à l'intérieur d'un échantillon de verre renforcé à l'aide d'une rafale de 5 ns d'impulsions picosecondes comme illustré dans la Figure 5. Puissance incidente : 1,5 W.
La meilleure forme d'impulsion que nous ayons trouvée jusqu'à présent pour obtenir la ligne la plus étroite de microfissures est illustrée à la figure 5. Il s'agissait de la plus courte salve d'impulsions picosecondes produite par le laser MOPAW utilisé lors des tests. Cette salve présente une forme gaussienne FWHM de 5 ns, contenant environ 7 à 8 ps d'impulsions d'une intensité suffisante pour être absorbée de manière non linéaire par le matériau. L'utilisation de salves plus longues augmente, toutes choses égales par ailleurs, la longueur des microfissures latérales et réduit la force nécessaire pour cliver l'échantillon, mais au détriment de la qualité des bords. Comme les intensités maximales doivent rester relativement élevées, des salves plus longues nécessitent une quantité d'énergie plus importante par salve pour obtenir des lignes continues de défauts. L'augmentation de l'énergie a finalement entraîné des microfissures plus grandes et, finalement, une fragmentation incontrôlée de l'échantillon en plusieurs parties.
Fig.5 Forme d'impulsion optimale utilisée pour la découpe du verre Gorilla à partir du mode ps-burst du laser MOPAW de l'INO utilisé.
Des tests ont également été réalisés en modifiant l'état de polarisation du faisceau laser, passant d'une polarisation circulaire à une polarisation linéaire, perpendiculaire et parallèle à la direction de coupe. Aucune influence significative de l'état de polarisation sur la formation de défauts n'a été observée, à l'exception d'un léger avantage pour la polarisation linéaire parallèle, qui semble créer des microfissures davantage orientées dans la direction de coupe. D'autres tests doivent être réalisés pour confirmer cet effet.
Le procédé laser, qui consiste à fragiliser le verre le long d'une ligne, ne constitue qu'une partie du processus de découpe. La séparation complète des pièces est obtenue par clivage le long de la ligne fragilisée. Nous avons ainsi comparé différentes méthodes de clivage, mécaniques et thermiques. La figure 6 illustre le procédé de clivage mécanique utilisé pour séparer les pièces. L'échantillon est maintenu sur une surface plane, les lignes de défauts légèrement en surplomb. Une force perpendiculaire est appliquée à une extrémité de l'échantillon, uniformément répartie le long de la ligne de défauts.
Fig.6 Vue schématique du processus de clivage mécanique.
Pour le clivage thermique, l'échantillon est maintenu de manière similaire, mais la force mécanique est remplacée par un chauffage localisé produit par un pistolet thermique, un jet de vapeur ou une plaque chauffante. Dans tous les cas, un gradient de température important doit être créé le long des lignes de défauts, de sorte qu'une dilatation thermique différentielle se produise et force les pièces à se cliver. L'application d'un film d'eau sur la face non chauffée directement permet de maintenir un gradient de température élevé (environ 100 °C) le long de la ligne fragilisée et facilite le clivage. Avec le pistolet thermique et le jet de vapeur, il fallait environ 30 secondes pour initier le clivage, contre seulement 5 secondes avec une plaque chauffante.
3.1 Coupe droite
Nous avons observé que des échantillons de verre renforcé de 560 µm d'épaisseur étaient plutôt difficiles à cliver, ne présentant que quelques lignes de défauts (jusqu'à 3) réparties dans le volume. Les procédés de chauffage thermique n'ont pas donné de résultats intéressants et la forte pression mécanique nécessaire pour séparer les pièces a parfois entraîné une dérive de la ligne clivée. De plus, la netteté des bords clivés ne répondait pas aux critères visés. Pour fragiliser davantage la feuille de verre, la puissance incidente pourrait être augmentée, mais cela affecterait la qualité des bords.
Pour obtenir une qualité de bord très élevée, il est préférable d'augmenter le nombre de lignes de défauts réparties dans le volume et de limiter leurs zones affectées individuelles en maintenant la puissance incidente juste au-dessus du seuil, comme évalué précédemment. L'utilisation de quatre lignes de défauts ou plus a considérablement facilité le clivage pour les petites longueurs de verre (< ~ 75 mm). Cependant, la force nécessaire à appliquer lors du clivage mécanique augmente considérablement pour les longueurs supérieures à 100 mm. Pour de telles longueurs, le nombre de lignes de défauts doit être augmenté afin de préserver la facilité de clivage. La création de six ou sept lignes de défauts dans le volume permet de cliver plus facilement une feuille de verre de 560 µm d'épaisseur et d'obtenir des bords de meilleure qualité. Une attention particulière doit être portée à la première et à la dernière ligne, situées près de leur surface respective. Elles déterminent principalement la facilité de clivage et la netteté des bords d'angle.
Comme l'illustre schématiquement la figure 7, pour un foyer très proche de la surface (z < zth) et une densité d'énergie supérieure au seuil, la quantité de matière au-dessus du défaut créé est insuffisante pour contenir la contrainte interne accrue. Un écaillage de la surface se produit alors. À des densités d'énergie plus élevées, l'ablation de la surface commence. Des processus de gravure deviennent possibles et, si la densité d'énergie atteint une certaine valeur, l'échantillon se fragmente en plusieurs morceaux. Pour un foyer suffisamment éloigné des surfaces (z > zth), de petits défauts et des microfissures peuvent être créés sans briser l'échantillon. Cependant, à mesure que le foyer se rapproche de zth, la plage de densités d'énergie permettant leur création se rétrécit. La densité d'énergie à ces profondeurs doit alors être choisie avec soin.
Fig.7 Illustration schématique du processus impliqué pour un matériau transparent soumis à un faisceau laser focalisé en fonction de la densité d'énergie et de la position du point focal. z= 0 représente la première surface de l'échantillon.
La première et la dernière ligne de défauts doivent être positionnées suffisamment près de leurs surfaces respectives pour faciliter le clivage, mais suffisamment éloignées pour éviter tout écaillage en surface. Cette exigence implique que la planéité de l'échantillon et son parallélisme par rapport à l'axe de déplacement soient contrôlés afin d'éviter que ces lignes extrêmes n'atteignent les surfaces lors du déplacement de l'échantillon sous le faisceau laser focalisé. Les dimensions de nos échantillons (environ 200 mm de long) ne nécessitent qu'un ajustement de l'inclinaison avant le traitement laser.
Avec les paramètres laser et les réglages de configuration optimisés pour produire des bords nets et droits, comme décrit précédemment, nous avons découpé des rectangles aux dimensions d'un smartphone dans une feuille de verre Gorilla® de 560 µm d'épaisseur. La figure 8 montre des vues d'un bord après clivage le long d'une ligne droite affaiblie, traitée au laser avec sept lignes de défauts. La force appliquée pour cliver le long de ces lignes était d'environ 1,4 kg/100 mm.
Fig. 8 (a) Vue de côté et (b) vue de dessus d'une feuille de verre Gorilla® clivée ayant subi un traitement laser pour affaiblir les lignes droites et un clivage mécanique. Sept lignes de défauts ont été uniformément réparties dans le volume.
La qualité du bord peut être définie comme l'écart de la ligne clivée vue de dessus par rapport à la ligne cible. Dans l'exemple de la figure 8(b), nous avons obtenu un écart maximal de 25 µm (50 µm crête à crête), l'écart moyen étant d'environ 10 µm. À titre de comparaison, dans le cas de la création de deux lignes de défauts dans le volume, l'écart maximal est de 50 µm (100 µm crête à crête). La différence est facilement observable. En revanche, augmenter le nombre de lignes à plus de 7 n'apporte pas de réel avantage. Au contraire, cela augmente le temps de traitement et, si les lignes sont uniformément réparties, des microfissures se rapprochent trop des surfaces et des écaillages apparaissent.
3.2 Découpe de courbe
La découpe de lignes courbes avec notre laser a également été explorée. Une plateforme rotative compacte a été ajoutée au dispositif expérimental entre la plateforme inclinable et la platine de translation linéaire, comme décrit à la figure 3. Le procédé laser développé pour la découpe de lignes droites, illustré à la figure 8, a été appliqué aux lignes courbes. La figure 9 montre un exemple d'angle droit d'une feuille de verre renforcé, tel qu'utilisé précédemment, arrondi par le même procédé laser que pour les coupes droites. Pour les angles arrondis, les pièces ont été séparées par un procédé de clivage thermique. Dans le cas des angles arrondis, le clivage mécanique a donné de mauvais résultats, car la force appliquée tend à initier un clivage le long des lignes droites. La netteté des arêtes et la rugosité du côté de l'angle sont comparables à celles des lignes droites. Comme le montre la figure 9, le clivage a laissé de minuscules morceaux de verre non découpés à la jonction entre les côtés courbes et droits. Cela est dû à l'angle rasant des lignes de défauts avec les côtés de l'échantillon. Quelle que soit la méthode de clivage utilisée, le clivage des angles arrondis a tendance à dévier pour atteindre plus rapidement l'extérieur du matériau. Dans un procédé optimisé, chaque ligne de défaut serait traitée au laser sur tout le contour avant le clivage afin d'éviter la présence de protubérances.
Fig. 9 Exemple d'une feuille de verre Gorilla® de 560 µm d'épaisseur dont un angle droit a été arrondi par un procédé de furtivité laser et un procédé de clivage thermique. Rayon de courbure = 6 mm.
4. Conclusion
Nous avons démontré qu'une salve d'impulsions picosecondes produite par un laser à fibre à haute fréquence de répétition peut contribuer à un processus de découpe efficace de feuilles de verre renforcées. Des performances reproductibles ont été obtenues en termes de rectitude de clivage, de facilité de clivage et d'aspect visuel des bords clivés. Cette étude a mis en évidence des paramètres clés à contrôler pour améliorer le procédé laser et le procédé de clivage. Nous avons également démontré que le procédé laser développé peut être utilisé pour découper des courbes à faible rayon de courbure. Certaines méthodes de clivage de lignes courbes ont été testées et offrent un potentiel intéressant qui mérite d'être approfondi.
Les résultats expérimentaux montrent que les feuilles de verre renforcé découpées par laser en volume suivi d'un clivage peuvent produire des bords de bonne qualité si le nombre de lignes de défauts créées est suffisant et si les énergies d'impulsion restent proches du seuil d'endommagement, en particulier pour les défauts situés à proximité des deux surfaces de l'échantillon. Un compromis peut alors être trouvé entre la durée du laser et la performance du clivage pour une application donnée. Les procédés de clivage mécanique et thermique que nous avons testés produisent une qualité de bord similaire, mais diffèrent par leur durée de traitement et par leur capacité à cliver des formes autres que des lignes droites. Une source de chaleur capable de cibler une zone plus localisée, comme un laser CO2, une flamme étroite ou un flux laminaire d'air chaud ou de vapeur, déclencherait probablement la séparation des pièces plus rapidement et plus efficacement.
Le chevauchement des microfissures observées sur la figure 4 suggère qu'elles pourraient être plus espacées, ce qui pourrait potentiellement se traduire par une meilleure qualité des bords et un traitement plus rapide si elles ne s'écartent pas trop du plan défini par les défauts à l'intérieur de la feuille de verre. Cette hypothèse sera validée par la dernière version du laser MOPAW d'INO, capable de fonctionner à une fréquence de répétition plus faible. D'autre part, sa capacité à fonctionner à des fréquences de répétition allant jusqu'à 500 kHz permettra le développement de procédés laser où le faisceau laser balaie l'échantillon à des vitesses accessibles par les scanners laser de pointe, difficilement atteignables par des platines de translation motorisées. Par ailleurs, INO développe actuellement une fibre active PM, LMA, avec une surface de mode effective de 1 000 µm², soit deux fois plus grande que celle utilisée jusqu'à présent. Cela permettra de produire des intensités de crête (ou densités d'énergie) élevées au plan focal tout en utilisant des lentilles à focales plus longues. L'utilisation de lentilles F-theta sera possible et des motifs plus complexes seront traités plus rapidement avec les scanners laser.
Remerciements
This research was supported by grants from the Centre de Développement d’entreprises technologiques (CDET), Gatineau, QC, Canada.
Références
[1] L. Desbiens, P. Deladurantaye, A. Cournoyer, D. Gay, C. Paré, S. Eiselen, V. Roy, Y. Taillon, Flexible and Programmable Pulse Shaping MOPA Fiber Laser Platform, Performances and Applications, The Review of Laser Engineering, vol. 41, pp.691-696 (2013).
[2] L. Desbiens, M. Drolet, V. Roy, M.M. Sisto, Y. Taillon, Rafales d'impulsions picosecondes de forme arbitraire provenant d'une source laser à fibre pour applications à haut débit, Actes de SPIE, vol. 7914, 791420-1 (2011)
[3] P. Deladurantaye, A. Cournoyer, M. Drolet, L. Desbiens, D. Lemieux, M. Briand, Y. Taillon, Proc. of SPIE, vol. 7914, 791404-1 (2011).
[4] L. Desbiens, M. Drolet, V. Roy, M. M. Sisto, Y. Taillon, Proc. of SPIE, vol. 7914, 791420-1 (2011)
[5] V. Roy, C. Paré, H. Zheng, P. Laperle, L. Desbiens, Y. Taillon, CLEO/Europe – IQEC 2013.
D. Gay1, S. Lavoie2, Y. Taillon1
Adresse courriel de l'auteur principal : david.gay@ino.ca
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